内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
变频恒压供水系统的应用，按其所使用的范围大致可以分为三类: (1) 用于小区供水中的变频恒压供水系统(如加压泵站)
这类变频供水系统主要是用于包括小区供水、工厂、乡村加压站、高层建筑供水，其特点是变频控制的电机功率比较小，一般是在135kW以下，控制系统比较简单。由于这一范围的用户群非常的庞大，所以是目前国内推广和研究最多的方式。
(2) 用于国内中小型供水厂重中的变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要是用于中小供水厂或者是大中城市的辅助供水厂。这类变频器和电机功率一般在在135kV～320kW之间，其电网电压通常为220V或380V。由于受中小水厂的经济条件和规模的限制，目前采用的变频器主要是国产通用的变频器。
(3) 用于大型供水厂中的变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要是用于大中型城市的主力供水厂，其特点是功率比较大(一般都大于320kW)、机组较多、大多数都采用高压变频系统。该类系统一般对变频器和控制器的要求较高，大多数都采用了国外进口的变频器和控制系统。
1.4 本设计的主要研究内容
本设计主要是以住宅小区的供水系统作为控制对象，结合PLC和变频技术设计的一套基于PLC的住宅小区的变频恒压供水系统。本系统的设计是按照变频调速恒压供水系统的原理进行设计的。论文中讲述并分析了变频恒压供水系统的原理，确定了供水系统的控制方案，并且通过对用户的需求分析，对系统中的PLC、变频器、压力传感器等设备进行了选型，根据系统要求设计了能够满足用户和控制要求的控制电路和控制程序。
1.5 系统设计的理论分析及方案的确定及变频恒压供水系统的理论分析
1.5.1 变频恒压供水系统的基本原理
本设计所做的基于PLC的住宅小区的变频恒压供水系统的设计其原理是根据变频调速恒压供水系统的原理进行设计的。变频调速恒压供水系统主要是由可编程控制器
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PLC、变频器、压力传感器、低压电器以及供水水泵等组成。在出水网管上安装压力传感器，通过压力传感器检测，把出口处检测到的压力信号变成4—20mA的标准信号送入到可编程控制器PLC中PID调节调节模块儿中，经过PID运算与给定的压力参数做比较，将得出的调节参数作为执行值送入变频器，在由变频器控制供水水泵电机的转速，从而调节系统的供水量，使得供水管网中的压力值保持在给定的压力值上；当用水需求量超过一台水泵的供水量时，根据用水需求量的大小，通过PLC的控制进行水泵数量的加减和水泵工变频的切换，并由变频器对水泵进行变频调速，从而实现恒压供水的目的。 1.5.2 控制系统的节能原理
供水系统的工作点扬程特性及其基本特性主要是以供水系统管路中的阀门的开度不变为前提的，它是表明供水水泵在某一转速下的扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图
H2.1所示。
HA
A QA Q
图2.1 恒压供水系统的基本特征
系统由于在阀门的开度和水泵电机的转速都不改变的情况时，其流量的大小主要是取决于用户需求的情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H和用水流量Qu两者之间的联系，即H=f(Qu)。而系统的管阻特性是以水泵电机的转速不变为前提的，它是表明阀门在某一开度下的扬程H与流量Q两者之间的关系的曲线，其联系如图2.1所示。系统的管阻特性是用来反映供水水泵的能量用来克服水泵系统的水位和压力差、液体在管道中流动所受到的阻力的变化规律。通过改变阀门的开度，也就是改变了在某一扬程下，供水系统能够向用户提供的供水能力。因此，管阻特性所反映的其实是扬程H与供水流量Qc两者之间的关系，即H=f(Qc)。所谓供水系统的工作点，就是扬程特性曲线与管阻特性曲线的交汇点，如图2.1中所示的A点。在A点时，供水系统的供水流量Qc和用户的用水流量Qu处于平衡状态，因此，这时供水系统既满足了扬程特性，同时也符合
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管阻特性，所以系统能够稳定运行。
在变频恒压供水系统中，主要是由水泵、电动机、管道和阀门等构成系统的供水部分。通常是由异步电动机驱动水泵旋转进行供水，并且把水泵和电机做成一体，用变频器来调节异步电动机的转速，进而改变水泵的出水流量，达到恒压供水的目的。因此，在供水系统中变频的实质其实就是对异步电动机的变频调速。而异步电动机的变频调速则是通过改变定子的供电频率来改变电机的同步转速而实现的。
供水系统中的控制通常是以流量为控制目的，一般采用的控制方法是转速控制法和阀门控制法。所谓转速控制法就是通过改变水泵电机的转速来调节流量的目的，而阀门的开度保持不变，是通过改变水的动能来改变流量。因此，系统的扬程特性将会随着水泵转速的改变而改变，但其管阻特性不会改变。所以变频调速供水的方式是属于转速控制。其基本的工作原理就是根据用户用水量的变化能够自动地调整水泵电机的转速，从而使的管网压力值能够始终保持恒定，当用水需求量增大时，则电机加速；用水需求量减小时，则电机减速。而阀门控制法则是通过调节阀门的开度来调节流量的，水泵电机的转速并不会改变。这种控制方法的实质就是通过改变管网中的阻力大小来改变流量的，因此，管网阻力将会随着阀门开度的改变而改变，但是其扬程特性不会改变。由于在实际的生活用水中，用水的需求量是不断变化的，若是阀门开度在一段时间内保持不变，那么必然会造成超压或者是欠压现象的出现。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。
1.6 变频恒压供水系统控制方案的确定
1.6.1 几种控制方案的比较及其确定
通过以上对变频恒压供水的原理的分析可知，该系统的组成主要是由可编程控制器（PLC）、变频器、压力传感器、恒压控制单元、低压电器以及水泵机组而组成。本设计主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，来实现管网水压的恒定、水泵电机的软起动及变频水泵与工频水泵之间的切换。根据该系统的设计任务的要求，在结合该系统的使用场所，可供选择的方案有以下几种：
(1) 由变频器（带有供水基板）、水泵机组及压力传感器组成
这种控制系统的结构比较简单，它是将PID调节器和可编程控制器PLC等硬件都集成在变频器的供水基板上，通过设置一些指令代码来实现控制系统的控制功能。它虽然将电路的结构进行了微化，而且也设备的成本也有所降低，但是在压力的设定和压力反馈值的显示方面还是比较麻烦，不能够自动实现在不同时段要求的供水前提下，不同恒
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压转换的要求，在调试的时候，PID调节器的参数也很难达到最优化，调节的范围较小，而且系统的稳态及动态性能也不易保证。输出接口在扩展上也不够灵活，在数据通信上不够方便，并且对负载的容量也有所限制，因此该系统仅适用于要求不高的小容量场合。
(2) 由变频器（通用型）、单片机(包括变频控制、调节器控制)及压力传感器组成 这种控制方式其控制精度、控制算法及其性价比都比较高，在参数的调整上也比较方便，但其开发周期较长，如果程序一旦发生固化，修改时也较为麻烦，因此其在现场调试的灵活性比较差。当变频器处于运行状态时，将产生干扰信号，变频器的功率越大，产生的干扰就会越大，所以必须要采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。因此该系统仅适用于在某一特定领域的小容量的变频恒压供水系统中。
(3) 由变频器（通用型）、PLC(内含PID调节器)及压力传感器组成
这种控制方式其特点是灵活方便，并且具有良好的通信接口，与其他的系统进行数据交换较为方便，其通用性很强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可以很灵活的组成各种规模和能够满足各种要求的控制系统。在硬件的设计上，只需确定PLC的硬件配置及I/O接口的外部接线，当控制要求发生改变时，也可以很方便地通过PC机来修改系统的控制程序，使得现场调试更为方便。同时由于PLC的抗干扰能力比较强、可靠性也比较高，因此大大的提高了系统的可靠性。所以该系统能够适用于各种不同控制要求的恒压供水的场合。
根据以上提出的这几种方案，通过比较和分析，我们可以看出，其中第三种控制方案更适合于本次设计的系统。这种控制方案其扩展功能灵活方便，在数据传输方面更为方便，能够满足系统的稳定性及其控制精度的要求。 1.6.2 变频恒压供水系统的组成及原理图
基于PLC控制的变频恒压控制系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器、液位开关和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制框图如图2.2所示。从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
(l) 执行机构：执行机构是由一组水泵（包括三台水泵）组成，它们用于将水供入用户管网及消防用水管网，每台泵均有工频运行和变频运行两种模式，变频运行时是由变频器控制，根据用水量需求的变化来改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；当变频运行不满足用水量的需求时，切换工频运行。当当发生火灾时，将三台水泵同时投入工频运行状态。
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